1/1數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的故障診斷及其維修(doc11頁(yè))數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的故障診斷及其維修(doc11頁(yè))

第4章數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的故障診斷與維修4．1數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)概述

數(shù)控在GB中的定義是“用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法”。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是集高新技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化加工設(shè)備。數(shù)控加工設(shè)備主要分切削加工、壓力加工和特種加工(如數(shù)控電火花加工機(jī)床等)3類。切削加工類數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程能按預(yù)定的程序自動(dòng)進(jìn)行，消除了人為的操作誤差和實(shí)現(xiàn)了手工操作難以達(dá)到的控制精度，加工精度還可以用軟件來(lái)校正和補(bǔ)償。因此，可以獲得比機(jī)床精度還要高的加工精度及重復(fù)定位精度；工件在一次裝夾后，能先后進(jìn)行粗、精加工，配置自動(dòng)換刀裝置后，還能縮短輔助加工時(shí)間、提高生產(chǎn)率；由于機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡受可編程的數(shù)字信號(hào)控制，因而可以加工單件和小批量且形式復(fù)雜的零件，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期大為縮短。綜上所述，數(shù)控機(jī)床具有精度高、效率高、自動(dòng)化程度高和柔性好的特點(diǎn)。

從數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)看，由于微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等新技術(shù)、新工藝在機(jī)床行業(yè)的滲透和應(yīng)用，它與普通機(jī)床相比不僅在機(jī)械結(jié)構(gòu)性能方面發(fā)生了“質(zhì)”和“形”的變化，且其外觀造型也形成了自身獨(dú)特的風(fēng)格和特點(diǎn)。

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床雖然也有普通機(jī)床所具有的床身和立柱、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、刀架等部件。但為了與控制系統(tǒng)的高精度、高速度控制相匹配，對(duì)機(jī)床主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還提出了高精度、高剛度、低慣量、低摩擦、無(wú)間隙、高諧振頻率、適當(dāng)?shù)淖枘岜鹊纫?。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)形式是體現(xiàn)其性能的具體手段，是實(shí)現(xiàn)性能的核心因素(當(dāng)然結(jié)構(gòu)也受材料和工藝的影響)，因此，數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也有了重大變化。

依人機(jī)工程學(xué)宜人性原則設(shè)計(jì)的桌面式或懸掛式數(shù)控操作面版，是機(jī)床與操聯(lián)系和信息交流的唯一界面，指示燈、按鈕、按鍵的數(shù)量與排列及CRT的設(shè)計(jì)，既適合人的操作特性，又利于人機(jī)間的協(xié)調(diào)與交流，通過(guò)視覺(jué)良好的鍵面色彩，標(biāo)準(zhǔn)化的象形符號(hào)意象抽取，能準(zhǔn)確反映和傳遞兩者間的信息。

數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反映產(chǎn)品內(nèi)在功能的深層特性，外觀表達(dá)的是產(chǎn)品表層特性，對(duì)用戶而言，深層次的與產(chǎn)品使用密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)性能要通過(guò)表層的外觀形態(tài)來(lái)傳遞和表達(dá)。全封閉防護(hù)罩雖然掩蓋了機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)，卻至少傳達(dá)了數(shù)控機(jī)床這樣幾個(gè)方面的深層內(nèi)含：①先進(jìn)的數(shù)控?cái)?shù)顯裝置；②對(duì)機(jī)床的精度和剛度使用的可靠性、安全防護(hù)性及環(huán)保等有嚴(yán)格要求；③采用先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的刀具系統(tǒng)及安裝位置合理的自動(dòng)換刀裝置；④采用整套商品化、標(biāo)準(zhǔn)化的新型配套件、自動(dòng)排屑、潤(rùn)滑和冷卻裝置等。概括為高精度、高效率、高自動(dòng)化和機(jī)電液一體化。

4．1．1數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本組成

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其機(jī)械結(jié)構(gòu)隨著電子控制技術(shù)在機(jī)床上的普及應(yīng)用，以及對(duì)機(jī)床性能提出的技術(shù)要求，而逐步發(fā)展變化。是對(duì)普通機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行革新、改造，而后逐步發(fā)展成一種全新的加工設(shè)備。

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要組成

1主傳動(dòng)系統(tǒng)；

2進(jìn)給系統(tǒng)，

3實(shí)現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位裝置和附件；

4實(shí)現(xiàn)某些部件動(dòng)作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置：

5刀架或自動(dòng)換刀裝置(ATC)，

6自動(dòng)托盤交換裝置(APC)；

7特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)控、精度檢測(cè)和監(jiān)控裝置；

8為完成自動(dòng)化控制功能的各種反饋信號(hào)裝置及元件。

4．1．2數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)和要求

數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化機(jī)床，與普通機(jī)床相比，應(yīng)該具有更好的剛性和抗振性，相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)要小，傳動(dòng)部件之間的間隙要小。

數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)

（一）高剛度和高抗振性

1．機(jī)床剛度的基本概念

機(jī)床剛度是指機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。

機(jī)床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的靜剛度；

機(jī)床在動(dòng)態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機(jī)床的動(dòng)剛度

滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化的要求，與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。2．提高數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度的措施

(1)提高機(jī)床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率

(2)改善數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的阻尼特性

(3)采用新材料和鋼板焊接結(jié)構(gòu)

(二)減少機(jī)床熱變形的影響

機(jī)床的熱變形是影響機(jī)床加工精度的重要因素之一。數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度遠(yuǎn)高于普通機(jī)床，而大切削量產(chǎn)生的熾熱切屑對(duì)工件和機(jī)床部件的熱傳導(dǎo)影響遠(yuǎn)比普通機(jī)床嚴(yán)重，而熱變形對(duì)加工精度的影響操往往難以修正。因此，應(yīng)特別重視減少數(shù)控機(jī)床熱變形的影響。

常用以下措施減少發(fā)熱：

1．改進(jìn)機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)

(1)采用熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)

(2)采用傾斜床身和斜滑板結(jié)構(gòu)

(3)采用熱平衡措施

2．控制溫度

對(duì)機(jī)床發(fā)熱部位(如主軸箱等)，采用散熱、風(fēng)冷和液冷等控制溫升的辦法來(lái)吸收熱源發(fā)出的熱量。

3．對(duì)切削部位采取強(qiáng)冷措施

在大切削量切削加工時(shí)，特別是加工中心和數(shù)控車床普遍采用多噴嘴、大流量冷卻液來(lái)冷卻，并對(duì)冷卻液用大容量循環(huán)散熱或用冷卻裝置致冷以控制溫升。

4．熱位移補(bǔ)償

預(yù)測(cè)熱變形規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型存入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。下圖是熱變形自動(dòng)修正裝置。

(三)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分別采用交、直流主軸電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這兩類電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，并可無(wú)級(jí)調(diào)速，因此使主軸箱、進(jìn)給變速箱及傳動(dòng)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，箱體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，齒輪、軸承和軸類零件數(shù)量大為減少甚至不用齒輪，由電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)主軸或進(jìn)給滾珠絲杠。是某普通車床和數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)圖。普通車床和數(shù)控車床的傳動(dòng)系統(tǒng)比較圖

(四)高傳動(dòng)效率和無(wú)間隙傳動(dòng)裝置

數(shù)控機(jī)床在高進(jìn)給速度下，工作要求平穩(wěn)并有高定位精度。因此，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置和元件要求具有高壽命、高剛度、無(wú)間隙、高靈敏度和低摩擦阻力的特點(diǎn)。

(五)低摩擦因數(shù)的導(dǎo)軌

機(jī)床加工精度和使用壽命在很大程度上決定于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量，數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌則有更高的要求。要求在高速進(jìn)給時(shí)不振動(dòng)，低速進(jìn)給時(shí)不爬行，具有很高的靈敏度，能在重載下長(zhǎng)期連續(xù)工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。1．塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌

傳統(tǒng)的鑄鐵—鑄鐵滑動(dòng)導(dǎo)軌，除經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床外，在其它數(shù)控機(jī)床上已不采用。取而代之的是做鑄鐵—塑料或鑲鋼，塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。

導(dǎo)軌塑料常用聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶和環(huán)氧耐磨導(dǎo)軌涂層兩類。

（1）聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶

這種導(dǎo)軌軟帶材料是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二流化鉬和石墨等

填充劑混合燒結(jié)，并做成軟帶狀。聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶的特點(diǎn)主要有以下四點(diǎn)：

①摩擦特性好

②耐磨性好

③減振性好

④工藝性好

由于聚四氟乙烯導(dǎo)軌軟帶具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用于中、小型數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。

(2)環(huán)氧型耐磨涂層

環(huán)氧型耐磨涂層是以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑料劑，混合成液狀或膏狀為一組和固化劑為另一組的雙組份塑料涂層。

SKC3導(dǎo)軌塑料涂層具有、良好的可加工性，可經(jīng)車、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工。

2．滾動(dòng)導(dǎo)軌

滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦因數(shù)低，一般是0.003左右，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)相差小，幾乎不受運(yùn)動(dòng)速度變化的影響，定位精度和靈敏度高，精度保持性好等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床的常用的滾動(dòng)導(dǎo)軌有兩種。

滾動(dòng)導(dǎo)軌塊：這是一種滾動(dòng)體循環(huán)運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌。移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)體沿封閉軌道作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)體為滾珠或滾柱。

單元式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌：這種滾動(dòng)導(dǎo)軌是把軌道及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌塊由生產(chǎn)廠家預(yù)先根據(jù)用戶要求組裝好，用戶只要把導(dǎo)軌單元的軌道和導(dǎo)軌塊分別固定在機(jī)床的固定導(dǎo)軌和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上即可。因此用戶在設(shè)計(jì)和裝配調(diào)試上都十分簡(jiǎn)單方便。

單元式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)

1-導(dǎo)軌體2-側(cè)面密封墊3-保持器4-承載球列5-端部密封墊

6-端蓋7-滑塊8-潤(rùn)滑油環(huán)

3．靜壓導(dǎo)軌

靜壓導(dǎo)軌是在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌面間通入壓力油，使運(yùn)動(dòng)件浮起。工作過(guò)程中，導(dǎo)軌面上的油腔中的油壓能隨著外加負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，以平衡外加負(fù)載，保證導(dǎo)軌面間始終處于純液體摩擦狀態(tài)。

靜壓導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)極小，約為0．0005，功率消耗少。由于導(dǎo)軌工作在液體摩擦狀態(tài)，故導(dǎo)軌不會(huì)磨損，因而導(dǎo)軌的精度保持性好，壽命長(zhǎng)。

4．2數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障診斷方法

4．2．1機(jī)械故障及其分類

所謂機(jī)械故障，就是指機(jī)械系統(tǒng)（零件、組件、部件或整臺(tái)設(shè)備乃至一系列的設(shè)備組合）因偏離其設(shè)計(jì)狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。

機(jī)械故障可以從不同的角度來(lái)分類：按原因、按性質(zhì)。按影響程度、按造成的后果、按發(fā)生的快慢、按發(fā)生的頻次、按發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律等。

4．2．2機(jī)械故障診斷及其劃分

所謂機(jī)械故障診斷，就是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器的故障和預(yù)防設(shè)備的惡性事故發(fā)生，從而避免人員的傷亡、環(huán)境的污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。還可以找出生產(chǎn)系統(tǒng)中的事故隱患，從而對(duì)機(jī)械設(shè)備和工藝進(jìn)行改造，以消除事故隱患。另外，是改革設(shè)備的維修制度，將傳統(tǒng)的定期維修改變?yōu)轭A(yù)知維修，從而大大提高機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和利用率。

4．2．3機(jī)械故障診斷的基本環(huán)節(jié)

通常由以下幾個(gè)基本環(huán)節(jié)組成：

1．確定運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

2．建立測(cè)試系統(tǒng)

3．特征提取

4．狀態(tài)識(shí)別、趨勢(shì)分析、制定決策

4．2．4數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障診斷方法

對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分故障的一般處理

數(shù)控機(jī)床機(jī)械部分的修理，凡與常規(guī)機(jī)床機(jī)械部分相同的故障可用常規(guī)機(jī)床機(jī)械故障處理規(guī)定對(duì)待。但由于數(shù)控機(jī)床多采用電氣控制，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，所以機(jī)械故障率有明顯地降低。

1．進(jìn)給傳動(dòng)鏈故障的處理：

由于數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)鏈大多采用滾動(dòng)摩擦副，所以這方面的故障大多表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)品質(zhì)下降而造成。如反向間隙增大，定位精度達(dá)不到要求、機(jī)械爬行現(xiàn)象，軸承噪聲變大(尤其有機(jī)械硬碰撞之后易產(chǎn)生)等。這部分的維修常與運(yùn)動(dòng)副的預(yù)緊力，松動(dòng)環(huán)和補(bǔ)償環(huán)節(jié)的調(diào)整有密切關(guān)聯(lián)。

2．主軸部件故障的處理：

這部分故障多與刀柄的自動(dòng)拉緊裝置、自動(dòng)變檔裝置及主軸運(yùn)動(dòng)精度下降等有關(guān)。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床采取電氣自動(dòng)調(diào)速后已取消了機(jī)械變速箱裝置，有時(shí)雖有變速箱但也十分簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化使故障大為減少。

3．ATC刀具自動(dòng)交換裝置故障的處理：

據(jù)統(tǒng)計(jì)ATC刀具自動(dòng)交換裝置故障占數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障的一半以上。主要故障現(xiàn)象有：

·刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)故障

·定位誤差超差

·機(jī)械手夾持刀柄不穩(wěn)定

·機(jī)械手運(yùn)動(dòng)動(dòng)作不準(zhǔn)

所有這些故障現(xiàn)象，都會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀動(dòng)作緊急停止，整機(jī)因不能實(shí)現(xiàn)ATC刀具自動(dòng)交換而停機(jī)。

4．位置檢查用行程開關(guān)壓合故障的處理：

數(shù)控機(jī)床配備了許多限位運(yùn)動(dòng)的行程開關(guān)，使用一段時(shí)間后，使運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性起了變化以及壓合行程開關(guān)的機(jī)械可靠性與行程開關(guān)本身的品質(zhì)、特性都會(huì)影響整機(jī)的運(yùn)動(dòng)。這就需要很好地檢查、更換或調(diào)整。

5．配套附件可靠性下降產(chǎn)生故障的處理：

數(shù)控機(jī)床的配套附件包括：

·冷卻裝置

·排屑裝置

·防護(hù)裝置(其中有冷卻液防護(hù)罩、導(dǎo)軌防護(hù)罩等)

·主軸冷卻恒溫箱以及液壓油箱

·氣動(dòng)泵及恒壓氣柜等。

這些部件的損壞或動(dòng)作不靈都會(huì)產(chǎn)生故障，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)停止。因此，對(duì)這些部位的檢查不應(yīng)忽略，如有的加工中心換刀動(dòng)力依靠壓縮空氣，若氣泵供壓不夠，或貯氣柜漏氣使氣壓下降，會(huì)使機(jī)床換刀動(dòng)作暫停、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)約束條

件不滿足也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警而停機(jī)。只要排除了這些因素使機(jī)床約束條件得到滿足，就會(huì)取消報(bào)警轉(zhuǎn)入正常工作。

6．ATC故障排除實(shí)例

日本東芝公司的TOSNACBMC125型臥式數(shù)控加工中心是20世紀(jì)80年代初期生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床。其自動(dòng)換刀裝置ATC控制回路示意框圖如圖所示。

當(dāng)?shù)毒呓粨Q時(shí)，共分19步動(dòng)作，并要求在15s內(nèi)完成上述各步動(dòng)作，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，上述各步動(dòng)作中任何一步動(dòng)作失誤，均會(huì)使ATC裝置刀具交換時(shí)間延長(zhǎng)，從而發(fā)生報(bào)警。

BMC125型加工中心的換刀是屬于有機(jī)械手進(jìn)給刀具自動(dòng)交換的形式，所以從結(jié)構(gòu)上和動(dòng)作上均屬于比較復(fù)雜的一種。

大多數(shù)的BMC125型數(shù)控加工中心的用戶在使用中的反映，ATC刀具自動(dòng)交換裝置故障出現(xiàn)的原因，大多數(shù)在于限位開關(guān)失靈，凡此類故障排除方法是通過(guò)手動(dòng)復(fù)位后即可。對(duì)于限位開關(guān)元件，則應(yīng)在故障出現(xiàn)后嚴(yán)格檢測(cè)，必要時(shí)應(yīng)

更換。

4．3主傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸部件故障的診斷與維修

數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)是承受主切削力的傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，它的功率大小與回轉(zhuǎn)速度直接影響著機(jī)床的加工效率，而主軸部件是保證機(jī)床加工精度和自動(dòng)化程度的主要部件，它們對(duì)數(shù)控機(jī)床性能有著決定性的影響。

4．3．1主傳動(dòng)系統(tǒng)

主傳動(dòng)系統(tǒng)常采用的配置形式有：

（1）采用齒輪變速的形式

（2）采用帶傳動(dòng)的形式

（3）由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的形式

4．3．2主軸部件

主軸部件的性能要求

高回轉(zhuǎn)精度、足夠的功率輸出、剛度、抗振性、溫升以及自動(dòng)變速、準(zhǔn)停和自動(dòng)換刀等要求。

主軸部件的結(jié)構(gòu)

成組高精度軸承（滾動(dòng)/靜壓/磁力/陶瓷）及其配置、軸承間隙調(diào)整和潤(rùn)滑密封以及滿足工件的自動(dòng)裝夾要求

主軸的維護(hù)特點(diǎn)

1.主軸潤(rùn)滑

減少摩擦、帶走熱量，（